公路隧道软弱围岩台阶施工方案优化研究

陈山泉

(中冶赛迪建筑市政设计有限公司市政所，重庆 400013)

目前，为了提高施工速度，在软弱围岩中，大部分两车道公路隧道仍采用上下台阶法施工，其施工工艺是先开挖上半断面，待开挖至一定长度后同时开挖下半断面，上、下半断面同时并进的施工方法。该开挖法的优点是可以有足够的工作空间和较快的施工速度，但上、下部作业有干扰；台阶开挖虽增加了对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全[1-4]。

有的施工单位从机械、工期等因素出发，在Ⅳ、Ⅴ级围岩级施工中，上半断面开挖高度及上下台阶之间的长度取值均不同，从而在一些工程中造成上台阶掌子面失稳等安全事故的发生，如丹通高速公路某隧道由于上台阶高度过大而发生掌子面坍塌。

因此，进行台阶法主要施工参数的研究有保证隧道施工安全，提高隧道施工质量与速度；减少建设投资，节约成本等工程意义。根据丹通高速公路施工现场可知，全线隧道在Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖过程中均采用上下台阶法施工，为指导现场施工，本文以该项目的错草沟隧道为依托工程进行此类问题的研究。

1 研究方法

目前对隧道工程的研究手段主要有室内相似模型试验、现场监测及数值计算。针对本文的研究内容，考虑时间的紧迫性、内容的重复性及成本低廉性等，本次选用数值计算作

为研究手段。本次选取错草沟隧道丹东段洞口进行计算分析，该洞口围岩主要为强风化～中风化砾岩，属Ⅳ～Ⅴ级围岩，计算中按实际埋深进行建模分析。根据有限元理论，其建模思路如下：

(1)围岩采用摩尔库仑准则，采用平面应变(实体)单元模拟；

(2)隧道初期支护采用梁(壳)单元模拟；

(3)为了分析围岩在最不利情况的稳定性，本次计算不考虑二次衬砌的作用；

(4)为了考虑管棚等超前支护的作用，本次采用等代层进行模拟，即采用刚度等效原则，其强度参数按《公路隧道设计规范》JTG D70-2004的建议，提高30 %考虑[5]；

(5)在计算中，只考虑各台阶底部锁脚锚杆的作用，其它系统锚杆未考虑，作为安全储备；

(6)为了减小边界条件对计算的影响，模型左右和下边界各取隧道洞径的三倍，上边界取至地面；

(7)隧道左右边界进行水平约束，底边采用竖向约束，顶面自由；

(8)计算荷载为自重；

(9)上台阶计算模拟开挖步骤为：①上台阶开挖→②上台阶支护→③下台阶开挖→④下台阶支护。

隧道围岩的计算参数根据《公路隧道设计规范》JTG D70-2004建议值选取，如表1所示[5]。

表1 错草沟隧道丹东洞口段力学计算参数

根据以上建模方法，可建立该隧道计算模型(图1)。

(a)上台阶开挖高度计算模型

(b)台阶之间长度计算模型图1 有限元分析模型

2 上台阶合理开挖高度分析

为了计算不同上台阶开挖高度对围岩变形的影响，本次对Ⅳ、Ⅴ级围岩分别计算了4种不同开挖高度的工况，即上台阶开挖高度分别为3 m、4 m、5 m、6 m。根据上述计算模型，可计算出不同上台阶开挖高度下的围岩变形情况，计算结果见图2、图3所示。

2.1 Ⅳ级围岩开挖时变形规律

从围岩拱顶沉降、周边位移及拱脚沉降分析可知，对于Ⅳ级围岩，围岩变形随上台阶开挖高度的变形规律主要为：

(1)虽然隧道开挖完成后，各计算工况的拱顶沉降最终相同，但上台阶开挖高度为5 m时，拱顶沉降在下台阶开挖之前，该工况拱顶沉降值最大。

(2)通过周边收敛数据分析，当上台阶开挖高度为5 m时，周边收敛最大。

(3)拱脚位移随上台阶开挖高度的增加，最终沉降值呈减小趋势，其减小幅度尤其为上台阶开挖高度为5 m时最为明显。

(4)当上台阶开挖高度为6 m时，隧道上台阶开挖至下台阶初支施做，各位移指标增值幅度最小，即围岩的应力增量最小，并且各位移指标均在允许范围内。

因此，对于Ⅳ级围岩，推荐上台阶开挖高度为6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之间。

(a)拱顶沉降随开挖高度变化曲线

(b)周边收敛随开挖高度变化曲线

(c)拱脚沉降随开挖高度变化曲线图2 Ⅳ级围岩变形随上台阶开挖高度H的变化曲线图

2.2 Ⅴ级围岩开挖时变形规律

(1)虽然隧道开挖完成后，拱顶沉降最终值几乎相同，但随着上台阶开挖高度的增加，拱顶沉降呈增加趋势。

(2)根据周边收敛曲线可知，当上台阶开挖高度为4 m时，周边收敛最小，当上台阶开挖高度超过4 m时，呈线性增长趋势。

(3)拱脚位移随上台阶开挖高度的增加，在上台阶开挖完成后至下台阶开挖前，沉降值均呈减小趋势。

综合以上分析，考虑施工机械作业空间，对于Ⅴ级围岩，推荐上台阶开挖高度为4 m，但其拱脚沉降值较明显，因此，应做好上台阶的锁脚锚管(束)的质量。根据其塑性区分布可知，塑性区在上下台阶交接处最大，约3 m，因此，锚杆及锁脚锚管(束)的长度不得低于4 m。

3 上下台阶间合理长度的确定

对于软弱围岩，采用台阶法施工时，其台阶长度、掌子面挤出效应及支护封闭时机是影响隧道施工安全的重要因素之一。因此，本文通过三维有限元模型计算分析Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，不同上下台阶之间的长度对掌子面稳定的影响。根据图2计算模型，可计算出在上述最佳上台阶开挖高度情况下，掌子面挤出及围岩横向变形效应的结果，具体见表2、图4、图5所示。

(a)拱顶沉降随开挖高度变化曲线

(b)周边收敛随开挖高度变化曲线

(c)拱脚沉降随开挖高度变化曲线

(d)塑性应变分布

mm

图4 Ⅳ级围岩随上台阶长度位移

图5 Ⅴ级围岩随上台阶长度位移

根据不同上下台阶之间的距离对围岩变形及掌子面挤出效应分析，在Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，其主要变形规律主要为：

(1)Ⅳ级围岩段的洞室变形受上台阶长度变化的影响较小，在施工中可不做强制要求，只需满足机械化施工长度即可。

(2)Ⅴ级围岩段拱顶沉降、周边收敛均随上台阶长度的增加而增加，但当上台阶长度超过6 m时，其位移均发生突变。

(3)Ⅴ级围岩段掌子面挤出变形随上台阶长度的增加而减小，但当上台阶长度超过6 m时，其掌子面位移对上台阶长度的变化影响较小。

因此，Ⅴ级围岩隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环、封闭位置距离掌子面不得大于6 m。

4 小结

(1)通过围岩变形位移分析，对于Ⅳ级围岩，上台阶开挖高度最不利高度为5 m，最佳为6 m，即扁平率宜在0.5～0.58之间。

(2)对于Ⅴ级围岩，上台阶开挖高度以4 m为宜，并应做好上台阶的锁脚锚管(束)的质量，其长度不得低于4 m。

(3)根据洞室变形及掌子面挤出变化规律随上下台阶长度的影响分析，Ⅳ级围岩段的洞室变形受上台阶长度变化的影响较小，在施工中可不做强制要求，只需满足机械化施工长度即可。Ⅴ级围岩隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环、封闭位置距离掌子面不得大于6 m。

[1] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010：237-274

[2] 黄嘉亿, 李鹏飞, 张顶立.高速铁路隧道围岩变形规律的三维数值模拟[J].高速铁路技术, 2011, (增刊): 89-93

[3] 严启斌，许长青.隧道短台阶施工方案研究[J].山西建筑，2009，(17)：314-315

[4] 邓皇根,高永涛.台阶法施工公路隧道围岩变形预测模型研究[J].建筑科学，2010，26 (2)：26-29

[5] JTC D70-2004公路隧道设计规范[S]